特許 5791073 屈折率の検出方法及び光ファイバセンサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5791073

(24)【登録日】2015年8月14日

(45)【発行日】2015年10月7日

(54)【発明の名称】屈折率の検出方法及び光ファイバセンサシステム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20150917BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20150917BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/41 Z

   G01N21/17 N

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-126942(P2011-126942)

(22)【出願日】2011年6月7日

(65)【公開番号】特開2012-251963(P2012-251963A)

(43)【公開日】2012年12月20日

【審査請求日】2014年6月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】504147243

【氏名又は名称】国立大学法人 岡山大学

(72)【発明者】

【氏名】深野 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】鶴田 健二

(72)【発明者】

【氏名】田上 周路

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１２７７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０１５１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２３６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４９５００７４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０１５１４９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被検体の屈折率を検出する屈折率の検出方法において、
被検体内に配設する導波体と、この導波体にレーザ光を導く第１の光ファイバと、この第１の光ファイバと対向させて導波体に接続した第２の光ファイバとを備え、
第１の光ファイバから導波体にレーザ光を入射させて、第２の光ファイバまで直線的に進む直進光とともに回折光を生じさせ、この回折光を導波体内で全反射させながら導き、直進光と回折光との干渉光を第２の光ファイバに導いて、
導波体での全反射にともなって回折光に生じた位相変化に基づく干渉光の強度から屈折率を検出する屈折率の検出方法。

【請求項2】

レーザ光を出射する投光器と、
前記投光器に一端を接続して前記レーザ光を導く第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバの他端を接続して前記第１の光ファイバから入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導く長手状の導波体と、
前記第１の光ファイバと対向させて前記導波体に一端を接続した第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバの他端を接続した受光器と、
前記受光器から出力された信号を解析する解析器と
を備えた光ファイバセンサシステムであって、
前記導波体をセンサ部として、前記導波体と接した被検体の屈折率を前記導波体での全反射によって回折光に生じた位相変化に基づいて検出する光ファイバセンサシステム。

【請求項3】

前記導波体は、前記第１及び第２の光ファイバのコアと同材質とするとともに、前記導波体の径方向の寸法を前記第１の光ファイバのコア及び前記第２の光ファイバのコアの寸法よりも大きくしている請求項２に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項4】

前記第２の光ファイバのコアの寸法を、前記第１の光ファイバのコアの寸法よりも大きくしている請求項２または請求項３に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項5】

前記導波体は、前記第１の光ファイバ側から前記第２の光ファイバ側にかけて径方向の寸法を漸次拡大または漸次縮小させたテーパ状としている請求項２〜４のいずれか１項に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項6】

前記導波体は、前記第１の光ファイバ側の端部の外周形状を前記第１の光ファイバの端部の外周形状と一致させているとともに、前記第２の光ファイバ側の端部の外周形状を前記第２の光ファイバの端部の外周形状と一致させている請求項２〜５のいずれか１項に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項7】

前記導波体は、前記第１の光ファイバ側の端部における径方向の寸法を、前記第１の光ファイバの径寸法よりも大きくまたは小さくしている請求項２〜５のいずれか１項に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項8】

前記導波体は、前記第２の光ファイバ側の端部における径方向の寸法を、前記第２の光ファイバの径寸法よりも大きくまたは小さくしている請求項２〜５のいずれか１項に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項9】

前記導波体は、径方向と平行な断面の形状を、断面の中心を回転対称軸とする対称性を有する形状としている請求項２〜８のいずれか１項に記載の光ファイバセンサシステム。

【請求項10】

前記導波体は、径方向と平行な断面の形状を楕円形状としている請求項２〜８のいずれか１項に記載の光ファイバセンサシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバで導波したレーザ光の回折光を利用して被検体の屈折率を検出する検出方法及び光ファイバセンサシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、光ファイバを利用した各種のセンサシステムが提案されている。従来のセンサシステムでは、光ファイバの中途部分にコア内の光をリークさせるセンサ部を設けており、リークさせた光の散乱等による透過損失を検出することにより歪みや温度等の変動を検出可能としている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

【0003】

センサシステムのセンサ部では、コアとクラッドとで構成された光ファイバのクラッドを部分的に除去してコアを露出させたり、あるいは、センサ部のコア径をセンサ部以外の部分の光ファイバのコア径よりも小さくまたは大きくしたり、場合によって、コアを有さずにクラッドだけとしたりして、光ファイバで導波した光を効果的にリークさせるようにしている。

【0004】

特に、界面活性剤の濃度測定に用いるセンサシステムでは、被検体の界面活性剤溶液に発色指示薬を添加しておき、光をリークさせているセンサ部において生じたエバネッセント波のエネルギーを発色指示薬に移動させることによって、界面活性剤溶液の濃度に依存した光の透過損失を検出して濃度測定を行うことが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３１８０９５９号公報

【特許文献2】特開２００７−０４０７３８号公報

【特許文献3】特開２００９−０６３５３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の光ファイバセンサシステムでは、センサ部においてリークさせた光はエネルギーの損失でしかなく、エネルギーロスの多いセンサシステムであった。

【0007】

特に、光ファイバセンサシステムでのセンサ感度を高めるためには、光をできるだけ多くリークさせた方がよく、それだけエネルギーロスが大きくなってしまうという問題があった。

【0008】

このような現状に鑑み、本発明者らは、グースヘンシェンシフトとして知られている位相変化を利用することにより、エネルギーロスの少ない光ファイバセンサシステムを構成すべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の屈折率の検出方法では被検体の屈折率を検出する屈折率の検出方法において、被検体内に配設する導波体と、この導波体にレーザ光を導く第１の光ファイバと、この第１の光ファイバと対向させて導波体に接続した第２の光ファイバとを備え、第１の光ファイバから導波体にレーザ光を入射させて、第２の光ファイバまで直線的に進む直進光とともに回折光を生じさせ、この回折光を導波体内で全反射させながら導き、直進光と回折光との干渉光を第２の光ファイバに導いて、導波体での全反射にともなって回折光に生じた位相変化に基づく干渉光の強度から屈折率を検出するものである。

【0010】

また、本発明の光ファイバセンサシステムでは、レーザ光を出射する投光器と、投光器に一端を接続してレーザ光を導く第１の光ファイバと、第１の光ファイバの他端を接続して第１の光ファイバから入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導く長手状の導波体と、第１の光ファイバと対向させて導波体に一端を接続した第２の光ファイバと、第２の光ファイバの他端を接続した受光器と、受光器から出力された信号を解析する解析器とを備えた光ファイバセンサシステムであって、導波体をセンサ部として、導波体と接した被検体の屈折率を導波体での全反射によって回折光に生じた位相変化に基づいて検出するものである。

【0011】

さらに、本発明の光ファイバセンサシステムでは、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）導波体は、第１及び第２の光ファイバのコアと同材質とするとともに、導波体の径方向の寸法を第１の光ファイバのコア及び第２の光ファイバのコアの寸法よりも大きくしていること。
（２）第２の光ファイバのコアの寸法を、第１の光ファイバのコアの寸法よりも大きくしていること。
（３）導波体は、第１の光ファイバ側から第２の光ファイバ側にかけて径方向の寸法を漸次拡大または漸次縮小させたテーパ状としていること。
（４）導波体は、第１の光ファイバ側の端部の外周形状を第１の光ファイバの端部の外周形状と一致させているとともに、第２の光ファイバ側の端部の外周形状を第２の光ファイバの端部の外周形状と一致させていること。
（５）導波体は、第１の光ファイバ側の端部における径方向の寸法を、第１の光ファイバの径寸法よりも大きくまたは小さくしていること。
（６）導波体は、第２の光ファイバ側の端部における径方向の寸法を、第２の光ファイバの径寸法よりも大きくまたは小さくしていること。
（７）導波体は、径方向と平行な断面の形状を、断面の中心を回転対称軸とする対称性を有する形状としていること。
（８）導波体は、径方向と平行な断面の形状を楕円形状としていること。

【発明の効果】

【0012】

本発明の屈折率の検出方法によれば、入射されたレーザ光を回折させることにより生じさせた回折光を全反射させながら導く導波体を被検体内に配設して、全反射にともなって回折光に生じるグースヘンシェンシフトの位相変化に基づいて屈折率を検出することにより、光をリークさせる必要がなく、エネルギーロスの小さい検出方法とすることができる。

【0013】

また、本発明の光ファイバセンサシステムによれば、第１の光ファイバから入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導く長手状の導波体をセンサ部として、導波体と接した被検体の屈折率を導波体での全反射によって回折光に生じたグースヘンシェンシフトの位相変化に基づいて検出することにより、光をリークさせる必要がなく、エネルギーロスの小さい光ファイバセンサシステムとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】グースヘンシェンシフトの説明図である。

【図2】本発明に係る光ファイバセンサシステムの概略説明図である。

【図3】センサ部である導波体の他の実施形態の説明図である。

【図4】センサ部である導波体の他の実施形態の説明図である。

【図5】センサ部である導波体の他の実施形態の説明図である。

【図6】センサ部である導波体の他の実施形態の説明図である。

【図7】センサ部である導波体の他の実施形態の説明図である。

【図8】第１実施例での空気中と水中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を示したグラフである。

【図9】第２実施例での空気中と水中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を示したグラフである。

【図10】エタノールと水の混合溶液の混合比と屈折率との関係を示すグラフである。

【図11】エタノールと水の混合溶液の混合比に対する光ファイバセンサシステムでの最大の透過光量となる波長の変化を示すグラフである。

【図12】第４実施例での空気中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を示したグラフである。

【図13】本発明が利用している干渉現象の説明図である。

【図14】導波体の長さと導波体に入射させる光の波長との関係に関する理論値と実測値を比較したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の屈折率の検出方法、及びこの屈折率の検出方法を利用した光ファイバセンサシステムでは、従来の光ファイバセンサシステムのような透過損失を利用するものではなく、光の全反射時に生じるグースヘンシェンシフトの位相変化を利用して、被検体の屈折率を検出しているものである。

【0016】

グースヘンシェンシフトとは、図１に示すように、屈折率n₁の物質Ａ中の光Ｌが、屈折率n₁の物質Ａと屈折率n₂の物質Ｂとの境界面Ｐで全反射する場合に位相遅れが生じて、境界面よりも屈折率n₂の物質Ｂ側の仮想反射面P'で反射しているかのように、少し遅れてから反射する状態となることである。ここで、屈折率n₂の物質Ｂ側に染み出しているのは、光Ｌの伝搬にともなう電磁界であって、この電磁界によってエバネッセント波が生じている。

【0017】

グースヘンシェンシフトによる位相変化の大きさは屈折率n₂と相関を有するので、本発明では、グースヘンシェンシフトにより生じた位相変化の影響を光の干渉を利用して検出し、屈折率n₂の特定を可能としている。

【0018】

特に、効果的にグースヘンシェンシフトを生じさせるために、本発明では、センサ部となる導波体において回折光を全反射させながら導くこととし、しかも、導波体に接続した光ファイバからレーザ光を導波体に入射させる際に回折を生じさせて、回折光を得ることとしている。

【0019】

この導波体を被検体内に配設することにより導波体と被検体とを接触させ、導波体内を導かれる回折光にグースヘンシェンシフトによる位相変化を生じさせている。ここで、被検体は、一般的には液体や気体であるが、導波体と緊密に接触できるのであれば固体であってもよく、あるいは屈折率を測定する時だけ固体状となっていたりするものであってもよい。

【0020】

以下において、図面を用いながら本発明の光ファイバセンサシステムを詳説する。図２は、本発明の光ファイバセンサシステムの概略模式図である。

【0021】

光ファイバセンサシステムは、レーザ光を出射する投光器11と、投光器11に一端を接続してレーザ光を導く第１光ファイバ12と、第１光ファイバ12の他端を接続した長手状の導波体13と、第１光ファイバ12と対向させて導波体13に一端を接続した第２光ファイバ14と、第２光ファイバ14の他端を接続した受光器15と、受光器15から出力された信号を解析する解析器16とを備えている。

【0022】

投光器11は、所定の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源である。投光器11は、単一の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源であってもよいし、所定の帯域の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源であってもよい。なお、所定の帯域の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源を用いる場合には、解析器16からの制御信号の入力を可能として、解析器16の制御に基づいてレーザ光を出射するようにすることが望ましい。

【0023】

第１光ファイバ12は、投光器11から出射されたレーザ光を導くことができる光ファイバであり、コア12aと、クラッド12bと、図示しない被腹膜とで構成している。第１光ファイバ12のコア12aは、導波体13に入射した光に強い回折を生じさせることができるように、できるだけ径寸法の小さいものを用いることが望ましい。

【0024】

導波体13は、第１光ファイバ12のコア12aと同材質の透光材料で形成しており、第１光ファイバ12から入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導くこととしている。導波体13と第１光ファイバ12のコア12aとを同材質とすることにより、第１光ファイバ12から導波体13に入射されたレーザ光はリークすることなく導波体13に入射させることができる。なお、導波体13は、必ずしも第１光ファイバ12のコア12aと同材質である必要はなく、第１光ファイバ12から導波体13に入射されたレーザ光を、できるだけ少ないリークで導波体13内に導くことができればよい。

【0025】

導波体13は、最も簡単には円柱体としてよいが、円柱体に限定するものではなく、径方向と平行な断面の形状を、断面の中心を回転対称軸とする対称性を有する形状としてもよい。具体的には、断面の形状が長方形または正方形となっている四角柱体や、断面の形状が六角形となっている六角柱体や、断面の形状が楕円形となっている楕円柱体等であってもよい。

【0026】

導波体13は、必ずしも長手方向に一様な断面を有する棒状となっているものに限定するものではなく、図３に示すように、第１光ファイバ12側から第２光ファイバ14側にかけて径方向の寸法を漸次拡大させたテーパ状としてもよいし、逆に、図４に示すように、第１光ファイバ12側から第２光ファイバ14側にかけて径方向の寸法を漸次縮小させたテーパ状としてもよい。

【0027】

導波体13は、第１光ファイバ12のコア12aと同材質の材料を用いて、第１光ファイバ12とは別に形成しており、放電を利用した既存の融着接続器を用いて第１光ファイバ12と接続している。

【0028】

したがって、導波体13では、図３及び図４に示すように、導波体13の第１光ファイバ12側の端部の外周形状を第１光ファイバ12の端部の外周形状と一致させて連続的とした方が、融着接続器による接続作業を確実に行うことができるが、場合によっては、図５に示すように、導波体13の第１光ファイバ12側の端部における径方向の寸法を、第１光ファイバ12の径寸法よりも大きくしてもよいし、逆に、図６に示すように、導波体13の第１光ファイバ12側の端部における径方向の寸法を、第１光ファイバ12の径寸法よりも小さくしてもよい。

【0029】

第２光ファイバ14は、第１光ファイバ12と対向させて導波体13に一端を接続して、導波体13内の回折光を後段の受光器15に導く光ファイバであり、コア14aと、クラッド14bと、図示しない被腹膜とで構成している。

【0030】

第２光ファイバ14のコア14aは、導波体13及び第１光ファイバ12のコア12aと同材質の透光材料で形成しており、導波体13と第２光ファイバ14のコア14aとの界面で反射を生じさせることなく、導波体13内の回折光を第２光ファイバ14のコア14aに導けるようにしている。なお、第１光ファイバ12の場合と同様に、導波体13と第２光ファイバ14のコア14aとは、必ずしも同材質である必要はなく、導波体13内の光をできるだけ損失させることなく第２光ファイバ14のコア14aに入射させることができればよい。

【0031】

ここで、導波体13から第２光ファイバ14のコア14aに導かれた光は干渉光となっている。すなわち、第２光ファイバ14で導かれる光は、第１光ファイバ12のコア12aから第２光ファイバ14のコア14aまで導波体13内を直線的に進んだ直進光と、導波体13内で全反射することによりグースヘンシェンシフトの位相変化を受けた回折光とが干渉した光となっており、この干渉光が受光器15に導かれることとなっている。

【0032】

そのため、第２光ファイバ14のコア14aの径寸法を小さくすると、直進光と干渉する回折光の第２光ファイバ14への入射が制限されることにより、直進光からの位相ズレの小さい回折光だけが第２光ファイバ14に入射することとなって、波の重ね合わせにより直進波を増幅したような回折波が受光器15に導かれることとなっている。

【0033】

一方、第２光ファイバ14のコア14aの径寸法を大きくすると、直進光からの位相ズレの大きい回折光も第２光ファイバ14に入射することとなって、波の重ね合わせにおいて位相ズレの大きい回折光の成分による緩和を受けた干渉光が受光器15に導かれることとなっている。

【0034】

この直進光からの位相ズレの大きい回折光の影響は、第２光ファイバ14のコア14aの寸法で調整でき、センサ部に要求される感度に応じて、適宜とすることができる。

【0035】

なお、第２光ファイバ14のコア14aの寸法を第１光ファイバ12のコア12aの寸法よりも大きくした場合には、第２光ファイバ14の寸法を第１光ファイバ12の寸法よりも大きくしてもよいし、第２光ファイバ14のクラッド14bで調整して、第２光ファイバ14の寸法を第１光ファイバ12の寸法に一致させてもよい。

【0036】

第２光ファイバ14は、導波体13と融着接続器を用いて接続しており、図３及び図４に示すように、導波体13の第２光ファイバ14側の端部の外周形状を第２光ファイバ14の端部の外周形状と一致させて連続的とした方が、融着接続器による接続作業を確実に行うことができる。

【0037】

ただし、場合によっては、図５に示すように、導波体13の第２光ファイバ14側の端部における径方向の寸法を、第２光ファイバ14の径寸法よりも大きくしてもよいし、逆に、図６に示すように、導波体13の第２光ファイバ14側の端部における径方向の寸法を、第２光ファイバ14の径寸法よりも小さくしてもよい。

【0038】

また、必要に応じて、例えば図７に示すように、導波体13は、第１光ファイバ12側の端部における径方向の寸法を第１光ファイバ12の径寸法よりも大きくし、第２光ファイバ14側の端部における径方向の寸法を第２光ファイバ14の径寸法よりも小さくしてもよい。

【0039】

受光器15は、フォトセンサ等の光電変換素子を備えており、第２光ファイバ14によって導かれた光を受けて、光の強度、すなわち透過光量に対応した信号を出力することとしている。

【0040】

解析器16は、受光器15から出力された信号から透過光量を特定し、透過光量から屈折率を特定する。

【0041】

ここで、投光器11が単一の波長のレーザ光を出射するレーザ光源である場合には、予め解析器16に登録された透過光量と屈折率の相関テーブルに基づいて、屈折率を特定することとしている。

【0042】

また、投光器11が所定の帯域の波長のレーザ光を出射するレーザ光源である場合には、出射する波長を変えながら透過光量を検出し、透過光量が最大となる波長を特定し、特定された波長と屈折率の相関テーブルに基づいて、屈折率を特定することとしている。

【0043】

さらに、例えば糖度等のように屈折率との相関性を有している物性の相関テーブルがある場合には、その相関テーブルを用いて物性値を特定することもできる。すなわち、被検体の糖度変化を検出することもできる。

【0044】

特に、解析器16は、パーソナルコンピュータで構成しており、光ファイバセンサシステムの動作プログラムに基づいてＣＰＵを制御部として機能させるとともに、透過光量と屈折率の相関テーブルや波長と屈折率の相関テーブル、さらには屈折率と糖度等の物性値の相関テーブルを予めハードディスクに記憶させておくことにより、屈折率だけでなく所定の物性値を検出できる光ファイバセンサシステムとすることができる。

【0045】

ここで、センサ部としての導波体13は、気体状または液体状の被検体内、あるいは固体状の被検体内に配設することにより被検体を導波体13に接触させ、導波体13と接触した被検体の屈折率あるいは所定の物性値を検出している。

【実施例1】

【0046】

第１実施例として、コア径が典型値8.2μｍ、クラッド径が125μｍである第１光ファイバと、この第１光ファイバと同じコア径が典型値8.2μｍ、クラッド径が125μｍの第２光ファイバを用い、径寸法が125μｍで、長さが100mmの円柱状とした導波体の端部にそれぞれ融着接続器を用いて接続することによりセンサ部を作成した。

【0047】

このセンサ部を用い、空気中と水中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を図８に示す。

【0048】

図８に示すように、ある特定の波長（図８においては空気中（図８中の実線）で約921nm、水中（図８中の破線）で約925nm）において直線光と回折光の重ね合わせによるピークが存在し、空気中と水中というセンサ部周りの屈折率の違いによりピークの波長のシフトが生じていることが分かる。

【実施例2】

【0049】

第２実施例として、コア径が典型値8.2μｍ、クラッド径が125μｍである第１光ファイバと、コア径が約50μｍ、クラッド径が125μｍの第２光ファイバを用い、径寸法が125μｍで、長さが100mmの円柱状とした導波体の端部にそれぞれ融着接続器を用いて接続することによりセンサ部を作成した。

【0050】

このセンサ部を用い、空気中と水中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を図９に示す。

【0051】

図９に示すように、ある特定の波長（図９においては空気中（図９中の実線）で約909nm、水中（図９中の破線）で約913nm）において直線光と回折光の重ね合わせによるピークが存在し、空気中と水中というセンサ部周りの屈折率の違いによりピークの波長のシフトが生じていることが分かる。

【0052】

また、図８と図９の比較から分かるように、第２光ファイバのコア径を大きくすることにより、透過光量のピーク前及びピーク後の光強度の変化率が小さくなっており、第２光ファイバのコア径によってセンサ部の感度が調整可能であることがわかる。

【0053】

図８及び図９でのピークの位置は、導波体の径寸法や長さによって変動するものであり、所定の波長部分にピークが生じるように導波体の径寸法や長さ、さらには形状を調整してよい。

【0054】

また、図９の図中に示す約915nm近くに表示した縦軸と平行な一点鎖線に注目すると、約915nmの波長の光に対して、水中での光強度が空気中での光強度よりも７dB程度大きくなっていることから、この光強度の変動を利用した光ファイバセンサシステムとすることもできる。

【実施例3】

【0055】

第３実施例として、第１実施例のセンサ部を用い、エタノールと水の混合溶液の混合比の検出を行ってみた。

【0056】

エタノールと水の混合溶液は、図１０に示すように混合比に応じて屈折率が変動することが知られており、これを用いて本発明の光ファイバセンサシステムの実用性の検証を行った。

【0057】

各混合比としたエタノールと水の混合溶液にセンサ部を浸漬させ、入射光波長を変動させながら透過光量が最大となる波長の特定を行った結果、図１１に示すように、エタノールと水の混合溶液の混合比と、透過光量が最大となる波長との間に相関があることが確かめられた。このことから、本発明の光ファイバセンサシステムは、少なくともエタノールと水の混合溶液の混合比のセンサとして利用できることが分かる。

【実施例4】

【0058】

第４実施例として、上述した第１実施例や第２実施例よりも広帯域での測定を行ってみた。

【0059】

ここで、センサ部は、コア径が約50μｍ、クラッド径が125μｍである第１光ファイバと、この第１光ファイバと同じコア径が約50μｍ、クラッド径が125μｍの第２光ファイバを用い、径寸法が125μｍで、長さが98mmの円柱状とした導波体の端部にそれぞれ融着接続器を用いて接続して作成した。

【0060】

被検体は空気であって、センサ部を空気中に置き、700〜1700nmの波長の光を入射させ、入射光波長に対する透過光量を測定した。

【0061】

図１２は、測定結果を示すグラフであり、複数のピークが存在していることが分かる。

【0062】

これらのピークの出現に関し、図１３を用いながら具体的に説明する。ここで、導波体の径寸法をｄ、長さをＬとし、導波体における光の入射点をＳ、後述する仮想の光の入射点をS'とする。導波体には、第１光ファイバによって、導波体の中心に光を入射させるものとしており、説明の便宜上、導波体の中心を入射点Ｓとしている。

【0063】

導波体内を直線的に進んだ直進光と、導波体内で１回だけ全反射した回折光の干渉は、図１３（ａ）に示すように、入射点Ｓから照射された光と、仮想の入射点S'から照射された光の干渉と考えることができる。ここで、入射点S'の位置は、入射点Ｓから導波体の径寸法であるｄだけ離れた位置となっている。

【0064】

同様に、導波体内を直線的に進んだ直進光と、導波体内で２回だけ全反射した回折光の干渉は、図１３（ｂ）に示すように、入射点Ｓから照射された光と、仮想の入射点S'から照射された光の干渉と考えることができる。ここで、入射点S'の位置は、入射点Ｓから導波体の径寸法であるｄの２倍だけ離れた位置となっている。

【0065】

同様に、導波体内を直線的に進んだ直進光と、導波体内で３回だけ全反射した回折光の干渉は、図１３（ｃ）に示すように、入射点Ｓから照射された光と、仮想の入射点S'から照射された光の干渉と考えることができる。ここで、入射点S'の位置は、入射点Ｓから導波体の径寸法であるｄの３倍だけ離れた位置となっている。

【0066】

このように、導波体内では回折光の全反射を生じさせていることにより、複数の入射点が存在していると見なせることとなっている。

【0067】

上記の複数のピークは、導波体に入射させる光の波長が変わることにより、導波体内を直線的に進む直進光と互いに強め合う干渉を生じる光を入射させている仮想の入射点S'の位置が変わっていることに対応している。

【0068】

すなわち、各ピークは、導波体内を直線的に進む直進光と互いに強め合う干渉を生じる光の、導波体内での全反射の各回数に対応して出現するものである。

【0069】

このことをヤングの実験に当てはめて考えてみると、入射点Ｓと入射点S'はヤングの実験におけるスリットに相当し、導波体に波長λの光を入射させた場合に、光が強め合って明線を生じることとなる条件は、屈折率ｎ中の光の波長がλ／ｎ＝λ'であることから、
ｘ＝m'Ｌλ'／d'
となる。

【0070】

ここで、m'は、任意の整数、d'は、入射点Ｓと入射点S'の間隔であり、ｘは、入射点Ｓと入射点S'の中間点から干渉縞が投影される仮想のスクリーンまで垂線を下ろした場合の垂線の足の位置からの距離である。

【0071】

この場合、明線の間隔をΔｘとすると、
Δｘ＝（m'＋１）Ｌλ'／d'−m'Ｌλ'／d'＝Ｌλ'／d'
である。

【0072】

一方、回折光の全反射を生じさせている導波体では、全反射を生じさせている周面が鏡面となって、上述したように複数の入射点が存在しているのと同様に、第２ファイバとの接続部分である出射点も鏡面の影響を受け、複数の出射点が存在していると見なすことができる。

【0073】

しかも、複数の出射点は、各出射点との間隔が、鏡面条件のために導波体の径寸法であるｄとなっており，Δｘがちょうどｄとなっていれば，干渉縞の明線がすべて出力されることとなる。ここで、説明の便宜上、干渉縞の周期をＤとする。したがって、Ｄ＝ｄである。

【0074】

このことから、明線の間隔Δｘは、干渉縞の周期であって、Δｘ＝Ｄであることから、
Ｄ＝Ｌλ'／d'＝Ｌ（λ／ｎ）／d'
となる。

【0075】

さらに、d'は、導波体の径寸法であるｄの整数倍であるので、ｍを任意の整数として、d'＝ｍｄと表すことができるので、
λ＝（Ｄｍｄ／Ｌ）×ｎ
の関係式が得られることとなる。

【0076】

ここで、
λ：波長
Ｄ：干渉縞の周期
ｍ：鏡像の次数に対応する任意の整数（１，２，３，・・・）
ｄ：導波体の径寸法
Ｌ：導波体の長さ寸法
ｎ：導波体の屈折率
である。

【0077】

上式から、導波体の形状が特定されると、図１２で出現している各ピークの波長が特定できることがわかる。なお、図１２中の「○に４」の符号は、ｍ＝４に対応したピークであることを、「○に５」の符号は、ｍ＝５に対応したピークであることを、「○に６」の符号は、ｍ＝６に対応したピークであることを、「○に７」の符号は、ｍ＝７に対応したピークであることを示している。

【0078】

このことから、導波体の長さを異ならせて、入射光波長に対する透過光量のピークが生じる波長の測定を行ったところ、図１４に示すように、上式に対応する波長においてピークが見られた。

【0079】

図１４中の右下がりの実線は、各ｍの値でのλ＝（Ｄｍｄ／Ｌ）×ｎによる理論曲線であり、白丸印はｍ＝１の場合に対応する実測のピーク、白四角印はｍ＝２の場合に対応する実測のピーク、白ひし形印はｍ＝３の場合に対応する実測のピーク、バツ印はｍ＝４の場合に対応する実測のピーク、プラス印はｍ＝５の場合に対応する実測のピーク、白三角印はｍ＝６の場合に対応する実測のピーク、黒丸印はｍ＝７の場合に対応する実測のピークを示している。

【0080】

図１２に示すように、各ｍの値に対応して出現するピークでは、ピーク前後の形状が同一となることはなく、様々な形状となっている。

【0081】

導波体をセンサ体として用いる場合には、高感度であることが望ましいため、ピーク前後においてそれぞれ変化率が大きい方がセンサ体として好適であると思われる。

【0082】

したがって、図１２の場合であれば、ｍ＝４となる形状の導波体とすることにより、高感度のセンサ体を提供することができる。なお、この場合、使用するレーザ光の波長も特定されることとなる。

【0083】

ｍが大きいと全反射の回数も増え，外部との相互作用回数が増えるため，高感度化に有利である。しかし，ｍが大きすぎるとセンサファイバの曲がりやわずかな非対称性などから干渉がぼけることが考えられ，ｍ＝４程度が最適となる。本実施例では、導波体を円柱状としているため、ｍ＝４が好適であると思われるが、導波体が円柱状以外の形状であれば、必ずしもｍ＝４の場合が好適であるとはかぎらず、別のｍの値であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0084】

本発明の屈折率の検出方法、及びこの屈折率の検出方法を利用した光ファイバセンサシステムでは、被検体の屈折率をリアルタイムで検出でき、例えば、清涼飲料の製造工程中における材料溶液の糖度変化をリアルタイムでモニタリングできる。

【0085】

また、糖度だけでなくエタノールと水の混合溶液における混合比のように、屈折率との相関性を有する物性値を検出するセンサシステムとして用いることができる。

【符号の説明】

【0086】

11 投光器
12 第１光ファイバ
12a コア
12b クラッド
13 導波体
14 第２光ファイバ
14a コア
14b クラッド
15 受光器
16 解析器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】